JPWO2020161822A1 - フレーム構造体 - Google Patents

Abstract

【解決手段】回転軸に取り付けられ、所定の方向に流れる流体の流れを受けて前記回転軸を回転させるブレードを含んで構成される回転装置を、前記流体中の構造物に固定する、複数のフレーム部材からなるフレーム構造体であって、前記フレーム部材は、前記フレーム部材の上流側から流れてくる前記流体に起因して前記フレーム部材に与えられる抵抗を抑制するように、前記所定の方向に沿って、前記流体の上流側から下流側に向かうにつれて、前記所定の方向と交差する方向における厚みが薄くなる形状を呈することを特徴とする。

Description

本発明は、フレーム構造体に関する。

例えば、潮流発電は、潮流のエネルギーを利用して回転力を起こして発電している。潮流発電では、一般的に流体に対して回転軸が垂直に設けられるダリウス式などの垂直軸式の回転装置が用いられている。垂直軸式の回転装置には、回転軸から放射状に延びるアームの先端に流体を受けるブレードが設けられている。ブレードは、流体の流れを受けて回転軸を回転させる。また、回転装置を港湾構造物などに固定するために、回転装置を取り囲むようにフレーム構造体が設けられている。フレーム構造体は、一般的に円柱形状のフレーム部材を組み合わせて構成されている。

特許第５１１３２８３号

しかし、潮流発電において、フレーム構造体を流体が通過するときに、フレーム構造体の形状に起因して流体の流れが乱れることにより、フレーム構造体と流体との間で所謂剥離が生じる。これにより、フレーム構造体を構成するフレーム部材の下流側の領域において、カルマン渦などの渦が生じる。このようなフレーム構造体と流体との間で生じる剥離や渦により、フレーム部材の下流側では圧力低下が生じる。そして、フレーム構造体には、圧力低下により所謂粘性圧力抵抗が加わる。さらに、剥離により生じる流れの乱れやカルマン渦がフレーム部材の下流側で回転しているブレードに到達することにより、ブレードの周囲の流れを乱すため、回転動力への変換効率を大幅に低下させる。

つまり、潮流発電では、流体による粘性圧力抵抗によりフレーム構造体に過度な抵抗がかかるため、フレーム構造体の強度やフレーム構造体を港湾構造物などに固定するときの強度を増大させる必要が生じることから、フレーム構造体の製造コストの増大、フレーム構造体の重量の増大による輸送コストの増大、フレーム構造体の設置コストの増大などを引き起こす虞があった。また、流れの乱れやカルマン渦などの渦により、ブレードの周囲の流れが乱されることで発電効率の低下を引き起こす虞があった。

また、流れの乱れやカルマン渦などの渦が水面の近くで生じると、水面に波を生じさせるため、フレーム構造体に対して所謂造波抵抗を与えることとなる。これにより、上述したように、フレーム構造体の製造コストの増大、フレーム構造体の重量の増大による輸送コストの増大、フレーム構造体の設置コストの増大などを引き起こす虞があった。

前述した課題を解決する主たる本発明は、回転軸に取り付けられ、所定の方向に流れる流体の流れを受けて前記回転軸を回転させるブレードと、を含んで構成される回転装置を、前記流体中の構造物に固定する、複数のフレーム部材からなるフレーム構造体であって、前記フレーム部材は、前記フレーム部材の上流側から流れてくる前記流体に起因して前記フレーム部材に与えられる抵抗を抑制するように、前記所定の方向に沿って、前記流体の上流側から下流側に向かうにつれて、前記所定の方向と交差する方向における厚みが薄くなる形状を呈することを特徴とする。

本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明によれば、流体中に置かれたフレーム部材の下流側の領域に生じるうる流体の流れの乱れやカルマン渦などの渦の発生を抑制することができるため、フレーム構造体に起因する潮流の乱れを抑制することにより、発電効率の向上が図れる。さらに、フレーム構造体を低強度で製造できるため、フレーム構造体の製造コストの低減が図れる。また、フレーム構造体の軽量化やフレームの港湾構造物などへの固定方法を簡素化できるため、フレーム構造体の設置コストの低減が図れる。また、流体の流れを整流することにより流れの乱れを抑制できるため、発電効率の向上が図れる。

また、水面の近くで流れの乱れやカルマン渦などの渦が生じることに起因して水面に生じうる波を抑制することができる。これにより、フレーム構造体を低強度で製造できるため、フレーム構造体の製造コストの低減が図れる。また、フレーム構造体の軽量化やフレーム構造体の港湾構造物などへの固定方法を簡素化できるため、フレーム構造体の設置コストの低減が図れる。

第１実施形態に係るフレーム構造体の一例を示す斜視図である。 第１実施形態に係るフレーム構造体を拡大した一例を示す斜視図である。 第１実施形態に係る第１フレーム部材を＋Ｙ方向から見た一例を示す断面図である。 第２実施形態に係るフレーム構造体の一例を示す斜視図である。 第２実施形態に係る第１フレーム部材を＋Ｙ方向から見た一例を示す断面図である。 第３実施形態に係るフレーム構造体の一例を示す斜視図である。 第３実施形態に係る第１フレーム部材を＋Ｙ方向から見た一例を示す断面図である。 発電装置の一例を示す構成図である。 垂直軸式の回転装置にフレームが設けられている一例を示す斜視図である。 垂直軸式の回転装置のフレームに生じる流れの乱れやカルマン渦の発生状況を＋Ｙ方向から見た一例を示す平面図である。 垂直軸式の回転装置を取り囲むフレームに生じる流れの乱れやカルマン渦や波の発生状況を示す斜視図である。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

尚、以下説明において、Ｘ軸は第１フレーム部材の断面の長軸に沿う軸であり、Ｙ軸は回転軸１００に沿う方向であり、Ｚ軸はＸ軸およびＹ軸に垂直に交わる軸である。なお、図１〜図１１において、同一の部材については同一の数字を付して説明する。また、以下説明において、特に条件を明示していなければ、流体はＸ軸に沿って流れているものとする。また、フレーム構造体における、流体の流れる方向の側を「下流側」と示し、流体の流れてくる方向の側を「上流側」と示すことがある。また、Ｘ軸に沿う方向を「Ｘ方向」と示し、Ｙ軸に沿う方向を「Ｙ方向」と示し、Ｚ軸に沿う方向を「Ｚ方向」と示すこともある。また、「Ｘ方向」、「Ｙ方向」、「Ｚ方向」のそれぞれにおける＋側には「＋」を付けて示し、−側には「−」を付けて示すこともある。また、第１フレーム部材におけるＸ軸とＺ軸とを含む平面で区切った断面を「ＸＺ断面」と示し、第２フレーム部材におけるＸ軸とＹ軸とを含む平面で区切った断面を「ＸＹ断面」と示すこともある。

＝＝＝フレーム構造体を配置する回転装置２００＝＝＝
＜＜回転装置２００＞＞
図８、図９を参照しつつ、本実施形態に係るフレーム構造体が支える回転装置２００の構成について説明をする。図８は、発電装置１０００の一例を示す構成図である。図９は、垂直軸式の回転装置２００にフレーム１３０が設けられている一例を示す斜視図である。

図８に示すように、回転装置２００は、例えば発電装置１０００（タービン（不図示）を含む）の増速機３００に回転軸１００を介して回転力を伝達する装置である。また、増速機３００は、回転軸１００の回転速度を増速して発電機４００に伝達する装置である。発電装置１０００は、例えば潮流発電装置である。潮流発電装置は、潮汐により生じる潮流エネルギーを利用して水車を回転させることにより発電する発電装置である。本実施形態に係るフレーム構造体が支える回転装置２００とは、例えばダリウス式などの垂直軸式の発電装置の回転装置をいう。

図９に示すように、潮流発電装置の回転装置２００は、水中でフレーム１３０に固定される。フレーム１３０は、例えば、回転軸１００と平行に設けられるフレーム部材１３１の何れかが湾岸構造物や橋脚基礎などのコンクリート構造物に固定される。なお、フレーム１３０は、海底に設置されたコンクリートなどの基礎上に固定されることや、海面に設置される浮体に固定されてもよい。フレーム１３０は、例えば回転軸１００が回動できるように、軸受１４０Ａ，１４０Ｂを介して回転軸１００に軸支されている。

潮流発電装置の回転装置２００は、回転軸１００と、ブレード１２０と、を含んで構成されている。回転軸１００は、例えばＸ方向における一方の端部が増速機３００に接続されている。回転軸１００は、増速機３００に回転力を伝達する。回転軸１００は、後述するブレード１２０を＋Ｙ方向から見たときに、例えば時計周り方向（以下、「回転方向」と称する。）に回転する。ブレード１２０は、流体の流れにより、回転方向への揚力を得る部材である。ブレード１２０は、回転軸１００を中心に回転している。なお、ブレード１２０は、その両端部に設けられるアーム１１０を介して回転軸１００に接続されている。ブレード１２０は、アーム１１０を介して回転方向への揚力を、回転方向への回転力として回転軸１００に伝達する。アーム１１０は、例えば回転軸１００から放射状に延設されている。

なお、上記において、回転装置２００は垂直軸式であるとして説明したが、例えば回転軸１００が水平（例えばＺ方向）に設けられる回転装置２００や、水平に対して斜めに設けられる回転装置２００でもよく、回転軸１００の設置される態様が限定されるものではない。また、回転装置２００のブレード１２０がアーム１１０，１１１を介さずに回転軸１００に取り付けられる回転装置２００でもよい。以下の説明では、回転装置２００の回転軸１００が垂直（Ｙ方向）に設けられているものについて説明する。

＜＜流体による抵抗＞＞
図１０、図１１を参照しつつ、フレーム部材１３１，１３２に生じる流れの乱れやカルマン渦などの渦について説明する。図１０は、垂直軸式の回転装置２００のフレーム部材１３１に生じる流れの乱れやカルマン渦の発生状況を＋Ｙ方向から見た一例を示す平面図である。図１１は、垂直軸式の回転装置２００を取り囲むフレーム１３０に生じる流れの乱れやカルマン渦や波の発生状況を示す斜視図である。なお、流体は−Ｘ方向から＋Ｘ方向に向かって流れることとする。

回転装置２００は、流体中において、例えば回転軸１００がＸ方向に対して垂直に配置されている。フレーム１３０は、回転装置２００を支えるように、回転装置２００を取り囲んで設けられる。

図１０に示すように、流体がフレーム部材１３１を通過するときに、フレーム部材１３１の下流側に圧力低下部を生じる。フレーム部材１３１には、圧力低下部により粘性圧力抵抗が加わる。また、フレーム部材１３１には、圧力低下部に起因して生じる流れの乱れやカルマン渦などの渦（以下、「渦」と称する。）により造渦抵抗が生じる。さらに、水面の近くのフレーム部材１３１に起因する流れの乱れや渦により水面の近くに波が生じるため、フレーム１３０に造波抵抗が生じる。なお、流れの乱れとは、流体中に配置される物体の形状などの効果によって生じる流れの方向変化や流体の剥離による乱れである。また、渦とは、流体中に障害物を配置したときに障害物の下流側（＋Ｘ方向の側）において交互に生じる渦である。なお、説明の便宜上、フレーム部材１３２についても、上述した流れの乱れや渦が生じるものとして、その説明を省略する。

図１１に示すように、流体がフレーム１３０の上流側からフレーム部材１３１，１３２に到達し、流体がフレーム部材１３１，１３２の周面に沿って下流側に流れるときに、フレーム部材１３１，１３２の下流側の領域において、流れの乱れや渦が生じる。流れの乱れや渦は、フレーム部材１３１，１３２の下流側において、回転軸１００を中心に回転しているブレード１２０に到達する。ブレード１２０は、その周りの潮流が乱されて回転に支障をきたす。また、ブレード１２０が水面の近くに配置されている場合には、フレーム部材１３１，１３２によって生じる波の影響により流体の流れが乱されるため、ブレード１２０の回転に支障をきたす。

上述したように、流れの乱れや渦は、ブレード１２０の周りの流れを乱して、ブレード１２０が流体の運動エネルギーを軸の回転動力へ変換する効率を低下させる。そこで、流れの乱れや渦を抑制するように、フレーム部材の形状に特徴を有するフレーム構造体を提供する。以下、フレーム構造体について詳細に説明する。

＝＝＝第１実施形態に係るフレーム構造体１０＝＝＝
図１〜図３を参照しつつ、第１実施形態に係るフレーム構造体１０について説明をする。図１は、第１実施形態に係るフレーム構造体１０の一例を示す斜視図である。図２は、第１実施形態に係るフレーム構造体１０を拡大した一例を示す斜視図である。図３は、第１実施形態に係る第１フレーム部材１１を＋Ｙ方向から見た一例を示すＸＺ断面図である。

第１実施形態に係るフレーム構造体１０は、流体中に配置されたときに、回転装置２００を支えるとともに、フレーム構造体１０の下流側で生じうる流れの乱れや渦を抑制する構造体である。また、フレーム構造体１０は、水面の近くにおいて波の発生をも抑制する。フレーム構造体１０は、例えば軸受１５Ａ，１５Ｂを介して回転軸１００を軸支している。図示していないが、フレーム構造体１０の何れかのフレーム部材が港湾構造物などに、直接的または間接的に固定される。

＝＝構成＝＝
図１に示すように、フレーム構造体１０は、例えば、第１フレーム部材１１と、第２フレーム部材１２と、第３フレーム部材１３と、第４フレーム部材１４と、軸受１５Ａ，１５Ｂと、を組み合わせて、略直方体の空間を形成するように構成されている。また、フレーム構造体１０は、第１〜第４フレーム部材１１〜１４とブレード１２０が接触しないように配置および形成されている。

第１フレーム部材１１は、回転軸１００と略平行に設けられるフレーム部材である。第１フレーム部材１１は、例えばステンレス材料で形成されている。第１フレーム部材１１は、その下流側において、流体の流れの乱れや渦を抑制する形状を呈する。例えば、流体の流れの方向（Ｘ方向）に沿って、上流側から下流側に向かうにつれて、流体の流れの方向（Ｘ方向）における厚みが薄くなるように形成されている。これにより、第１フレーム部材１１の下流側における流体の流れが整流されるため、下流側に生じうる圧力低下部の発生を抑制することができる。また、中心軸を通り、Ｘ方向およびＹ方向に沿って形成される断面を境として対称に形成されている。これにより、Ｚ方向における流体の圧力差を低減することができる。なお、中心軸とは、第１フレーム部材１１の中心を通る仮線のことをいう。また、中心軸を通り、Ｘ方向およびＺ方向に沿って形成される断面を境として対称に形成されている。これにより、流体が上流側から下流側にスムーズに流れるため、流れの乱れや渦の発生を抑制できる。上述したことから、図２に示すように、第１フレーム部材１１は、上流側から下流側に向かって流れる流体を整流するため、下流側に生じうる流れの乱れや渦の発生を抑制でき、下流側に配されるブレード１２０の回転を阻害しない。

図３に示すように、第１フレーム部材１１の形状について、より具体的に述べると、第１フレーム部材１１は、例えばＸＺ断面が楕円形状を呈する。ＸＺ断面の長軸が流体の流れの方向（Ｘ方向）に沿うように配置されている。これにより、流体は、第１フレーム部材１１の中心軸に対する上流側では周面に沿って滑らかに流れて、中心軸に対する下流側でも周面に沿って滑らかに流れる。

また、フレーム構造体１０が回転軸１００に配置された状態において、第１フレーム部材１１は、例えば、後述する第２〜第４フレーム部材１２〜１４が接合される部分から水面方向（＋Ｙ方向）に向かって延び出るように形成されている。延び出る長さは、例えば、第１フレーム部材１１が水面から突出する程度の長さに設定される。これにより、水面近くにおける流れの乱れや渦の発生に起因して生じうる波の発生を抑制することができる。つまり、造波抵抗を低減できる。

第２フレーム部材１２は、回転軸１００および流体の流れの方向（Ｘ方向）と略垂直（Ｚ方向）に設けられるフレーム部材である。また、第２フレーム部材１２は、隣接する夫々の第１フレーム部材１１の間を掛け渡すように配置されている。第２フレーム部材１２は、例えばステンレス材料で形成されている。第２フレーム部材１２は、その下流側において、流体の流れの乱れや渦を抑制する形状を呈する。具体的な形状については、説明の便宜上、第１フレーム部材１１をＺ方向に配置したものと同じであるため、その説明を省略する。

第３フレーム部材１３は、流体の流れの方向（Ｘ方向）に沿うように設けられるフレーム部材である。また、第３フレーム部材１３は、隣接する夫々の第１フレーム部材１１の間を掛け渡すように配置されている。第３フレーム部材１３は、例えばステンレス材料で形成されている。第３フレーム部材１３は、例えば円柱形状を呈している。より好ましくは、フレーム構造体１０の設計強度が保たれる範囲内において最少の直径を有する円柱形状を呈する。

第４フレーム部材１４は、第１フレーム部材１１と、回転軸１００に周設する軸受１５Ａ，１５Ｂと、を繋ぐように設けられるフレーム部材である。つまり、第４フレーム部材１４は、一端が第１フレーム部材１１と接合され、他端が軸受１５Ａまたは軸受１５Ｂと接合されている。これにより、フレーム構造体１０は、軸受１５Ａ，１５Ｂを介して回転軸１００を支えることができる。第４フレーム部材１４は、例えばステンレス材料で形成されている。第４フレーム部材１４は、例えば円柱形状を呈している。より好ましくは、フレーム構造体１０の設計強度が保たれる範囲内において最少の直径を有する円柱形状を呈する。

軸受１５Ａ，１５Ｂは、例えばステンレス材料で形成されるボールベアリングである。軸受１５Ａ，１５Ｂは、回転軸１００と第４フレーム部材１４との間に介在して設けられている。これにより、回転軸１００が回転している状態において、フレーム構造体１０が回転軸１００を支えることができる。軸受１５Ａ，１５Ｂは、回転軸１００に対してフレーム構造体１０がＹ方向に移動しないように、例えばスラストカラー（不図示）を備えていることが好ましい。

＝＝組み立て手順＝＝
図１を参照しつつ、第１実施形態に係るフレーム構造体１０の組み立て手順の一例について、以下のとおり説明をする。

まず、四つの第１フレーム部材１１の長軸を同方向（Ｘ方向）に配置する。また、夫々の両端部を水平方向（ＸＺ平面）に面一で配置する。

次に、第１フレーム部材１１の短軸方向（Ｚ方向）に沿うように、第２フレーム部材１２を配置する。Ｚ方向に対向する一組の第１フレーム部材１１間を掛け渡すように、第２フレーム部材１２を配置する。上側（＋Ｙ方向側）の第２フレーム部材１２は、第１フレーム部材１１の上端部（＋Ｙ方向側の端部）よりも一定距離下側に配置される。また、下側（−Ｙ方向側）の第２フレーム部材１２は、第１フレーム部材１１の下端部（−Ｙ方向側の端部）に配置される。そして、第１フレーム部材１１と第２フレーム部材１２を溶接などで接合する。

次に、第１フレーム部材１１の長軸方向（Ｘ方向）に沿うように、第３フレーム部材１３を配置する。Ｘ方向に対向する一組の第１フレーム部材１１間を掛け渡すように、第３フレーム部材１２を配置する。上側（＋Ｙ方向側）の第３フレーム部材１３は、第１フレーム部材１１の上端部（＋Ｙ方向側の端部）よりも一定距離下側に配置される。また、下側（−Ｙ方向側）の第３フレーム部材１３は、第１フレーム部材１１の下端部（−Ｙ方向側の端部）に配置される。そして、第１フレーム部材１１と第３フレーム部材１３を溶接などで接合する。

次に、対角に配置される一組の第１フレーム部材１１をように、第４フレーム歩合を配置する。上側（＋Ｙ方向側）の第４フレーム部材１４は、第１フレーム部材１１の上端部（＋Ｙ方向側の端部）よりも一定距離下側に配置される。また、下側（−Ｙ方向側）の第４フレーム部材１４は、第１フレーム部材１１の下端部（−Ｙ方向側の端部）に配置される。そして、対角線に沿って配置される一組の第４フレーム部材１４の間に、軸受１５Ａまたは軸受１５Ｂが配置される。第４フレーム部材１４は、一端が第１フレーム部材１１と接合され、他端が軸受１５Ａまたは軸受１５Ｂと接合される。つまり、軸受１５Ａ，１５Ｂは、第４フレーム部材１４によって４点で支持される。なお、軸受１５Ａ，１５Ｂは、Ｙ方向から見たときに、夫々の第１フレーム部材１１から等間隔に配置される。

次に、軸受１５Ａの中心孔と軸受１５Ｂの中心孔に回転軸１００を嵌入させる。これにより、フレーム構造体１０は、軸受１５Ａ，１５Ｂを介して回転軸１００を回転可能に支持することができる。フレーム構造体１０は、第１フレーム部材１１の上端部（＋Ｙ方向側の端部）が水面からわずかに突出するように配置されることが好ましい。

＝＝作用＝＝
図２を参照しつつ、第１実施形態に係るフレーム構造体１０の作用の一例について、以下のとおり説明する。

Ｘ方向から流体が流れている状態において、フレーム構造体１０は、上流側から下流側に向かう流体を整流することにより、第１フレーム部材１１および第２フレーム部材１２の下流側において流れの乱れや渦の発生を抑制する。また、水面の近くにおいて、波の発生を抑制する。これにより、ブレード１２０の回転方向への流体による抵抗を低減できる。

具体的に述べると、第１フレーム部材１１は、回転軸１００と平行に設けられ、ＸＺ断面が楕円形状を呈しているため、上流側から中心軸に向かって流体が流れるときに、周面と流体との間で抵抗を低減することができる。また、中心軸から下流側に向かって流体が流れるときに、流体が周面に沿って滑らかに流れる。さらに、第１フレーム部材１１は、水面に向かって突出するように設けられるため、上述した圧力低下部の発生を低減し、波の発生を抑制できる。

第２フレーム部材１２は、回転軸１００および流体の流れの方向（Ｘ方向）と垂直（Ｚ方向）に設けられ、ＸＹ断面（不図示）が楕円形状を呈しているため、上流から中心軸に向かって流体が流れるときに、周面と流体との間で抵抗を低減することができる。また、中心軸から下流側に向かって流体が流れるときに、流体が周面に沿って滑らかに流れる。

第３フレーム部材１３および第４フレーム部材１４は、Ｘ方向から流体が流れている状態においては特に圧力低下部の発生が大きくないため、円柱形状を呈している。しかし、例えば夫々の断面が楕円形状を呈している場合、第１フレーム部材１１および第２フレーム部材１２と同じように圧力低下部の発生を低減できるため、流れの乱れや渦の発生を抑制できる。

＝＝＝第２実施形態に係るフレーム構造体２０＝＝＝
図４、図５を参照しつつ、第２実施形態に係るフレーム構造体２０について説明をする。図４は、第２実施形態に係るフレーム構造体２０の一例を示す斜視図である。図５は、第２実施形態に係る第１フレーム部材２１を＋Ｙ方向から見た一例を示すＸＺ断面図である。

第２実施形態に係るフレーム構造体２０は、流体中に配置されたときに、回転装置２００を支えるとともに、フレーム構造体２０の下流側で生じうる流れの乱れや渦を抑制する構造体である。また、フレーム構造体２０は、水面の近くにおける波の発生も抑制できる。フレーム構造体２０は、例えば軸受２５Ａ，２５Ｂを介して回転軸１００を軸支している。そして、図示していないが、フレーム構造体２０の何れかのフレーム部材が港湾構造物などに、直接的または間接的に固定される。

＝＝構成＝＝
図４に示すように、フレーム構造体２０は、例えば、第１フレーム部材２１と、第２フレーム部材２２と、第３フレーム部材２３と、第４フレーム部材２４と、軸受２５Ａ，２５Ｂと、を組み合わせて、略直方体の空間を形成するように構成されている。フレーム構造体２０は、ブレード１２０と接触しないように配置および形成されている。

なお、説明の便宜上、第２実施形態に係るフレーム構造体２０における第３フレーム部材２３、第４フレーム部材２４および軸受２５Ａ，２５Ｂについては、第１実施形態に係るフレーム構造体１０における第３フレーム部材１３、第４フレーム部材１４および軸受１５Ａ，１５Ｂと同じものであるため、その説明を省略する。また、以下説明において、第２実施形態に係るフレーム構造体２０における第１フレーム部材２１および第２フレーム部材２２については、第１実施形態に係るフレーム構造体１０における第１フレーム部材１１および第２フレーム部材１２と異なることのみ記載することとする。

図５に示すように、第１フレーム部材２１は、例えばＸＺ断面が菱形形状を呈する。ＸＺ断面の長い方の対角線が流体の流れの方向（Ｘ方向）に沿うように形成されている。これにより、流体は、第１フレーム部材２１の中心軸に対する上流側では周面に沿って滑らかに流れ、中心軸に対する下流側でも周面に沿って滑らかに流れる。つまり、第１フレーム部材２１の下流側において流れの乱れや渦の発生を抑制できる。

第２フレーム部材２２は、例えばＸＹ断面（不図示）が菱形形状を呈する。ＸＹ断面の長い方の対角線が流体の流れの方向（Ｘ方向）に沿うように配置されている。これにより、第１フレーム部材２１と同様に、第２フレーム部材２２下流側において流れの乱れや渦の発生を抑制できる。

＝＝組み立て手順・作用＝＝
説明の便宜上、第２実施形態に係るフレーム構造体２０の組み立て手順および作用については、第１実施形態に係るフレーム構造体１０の組み立て手順および作用と同様であるため、その説明を省略する。

＝＝＝第３実施形態に係るフレーム構造体３０＝＝＝
図６、図７を参照しつつ、第３実施形態に係るフレーム構造体３０について説明をする。図６は、第３実施形態に係るフレーム構造体３０の一例を示す斜視図である。図７は、第３実施形態に係る第１フレーム部材３１を＋Ｙ方向から見た一例を示すＸＺ断面図である。

第３実施形態に係るフレーム構造体３０は、流体中に配置されたときに、回転装置２００を支えるとともに、フレーム構造体３０の下流側で生じうる流れの乱れや渦を抑制する構造体である。また、フレーム構造体３０は、水面の近くにおける波の発生も抑制できる。フレーム構造体３０は、例えば軸受３５Ａ，３５Ｂを介して回転軸１００を軸支している。そして、図示していないが、フレーム構造体３０の何れかのフレーム部材が港湾構造物などに、直接的または間接的に固定される。

＝＝構成＝＝
図６に示すように、フレーム構造体３０は、例えば、第１フレーム部材３１と、第２フレーム部材３２と、第３フレーム部材３３と、第４フレーム部材３４と、軸受３５Ａ，３５Ｂと、を組み合わせて、略直方体の空間を形成するように構成されている。フレーム構造体３０は、ブレード１２０と接触しないように配置および形成されている。

なお、説明の便宜上、第３実施形態に係るフレーム構造体３０における第３フレーム部材３３、第４フレーム部材３４および軸受３５Ａ，３５Ｂについては、第１実施形態に係るフレーム構造体１０における第３フレーム部材１３、第４フレーム部材１４および軸受１５Ａ，１５Ｂと同じものであるため、その説明を省略する。また、以下説明において、第３実施形態に係るフレーム構造体３０における第１フレーム部材３１および第２フレーム部材３２については、第１実施形態に係るフレーム構造体１０における第１フレーム部材１１および第２フレーム部材１２と異なることのみ記載することとする。

図７に示すように、第１フレーム部材３１は、例えばＸＺ断面が略菱形形状を呈する。略菱形形状とは、菱形形状の短い方の対角線の角部が湾曲している形状をいう。つまり、第１フレーム部材３１のＸＺ断面におけるＺ方向に沿う短い方の対角線の角部が湾曲して形成されている。第１フレーム部材３１は、ＸＺ断面の長い方の対角線が流体の流れの方向（Ｘ方向）に沿うように配置されている。これにより、流体は、第１フレーム部材３１の中心軸に対する上流側では周面に沿って滑らかに流れ、中心軸に対する下流側でも周面に沿って滑らかに流れる。つまり、第１フレーム部材３１の下流側において流れの乱れや渦の発生を抑制できる。

第２フレーム部材３２は、例えばＸＹ断面（不図示）が略菱形形状を呈する。ＸＹ断面の長い方の対角線が流体の流れの方向（Ｘ方向）に沿うように形成されている。これにより、第１フレーム部材３１と同様に、第２フレーム部材３２の下流側において流れの乱れや渦の発生を抑制できる。

＝＝組み立て手順・作用＝＝
説明の便宜上、第３実施形態に係るフレーム構造体３０の組み立て手順および作用については、第１実施形態に係るフレーム構造体１０の組み立て手順および作用と同様であるため、その説明を省略する。

尚、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、例えば、本発明には以下のようなものも含まれる。

＝＝＝他の実施形態＝＝＝
＜＜フレーム構造体１０，２０，３０＞＞
上記において、フレーム構造体１０，２０，３０は、第１〜第４フレーム部材１１〜１４，２１〜２４，３１〜３４を組み合わせて構成されているとして記載したが、これに限定されない。フレーム構造体１０，２０，３０は、流体の流れに対して抵抗を抑制するように、少なくとも第１フレーム部材１１，２１，３１または第２フレーム部材１２，２２，３２を有していればよい。つまり、その他のフレーム部材の配置および構成については、特に限定されるものではない。

＜＜第１フレーム部材１１，２１，３１＞＞
上記において、第１フレーム部材１１，２１，３１は、中心軸を通り、Ｘ方向およびＹ方向に沿って形成される断面を境として対称に形成されているとして説明したが、これに限定されない。対称に形成されている必要はなく、例えば略翼型に形成されていてもよい。

上記において、第１フレーム部材１１，２１，３１は、中心軸を通り、Ｘ方向およびＺ方向に沿ってと、で形成される断面を境として対称に形成されているとして説明したが、これに限定されない。対称に形成されている必要はなく、例えば流線型に形成されていてもよい。

上記において、第１フレーム部材１１，２１，３１は、第２〜第４フレーム部材１２〜１４，２２〜２４，３２〜３４と接合される部分から水面方向（＋Ｙ方向）に向かって延び出るように形成されているとして説明したが、これに限定されない。例えば、延び出るように形成されていなくてもよい。この場合には、所謂造波抵抗の抑制効果は低減されるが、所謂造渦抵抗の抑制効果は確保される。

＜＜第２フレーム部材１２，２２，３２＞＞
上記において、第２フレーム部材１２，２２，３２は、第１フレーム部材１１，２１，３１の形状と同様であるとして説明したが、これに限定されない。例えば、第１フレーム部材１１，２１，３１のＸＺ断面が楕円形状である場合に、第２フレーム部材１２，２２，３２のＸＹ断面が円形形状、菱形形状または略菱形形状であってもよい。

＜＜第３フレーム部材１３，２３，３３＞＞
上記において、第３フレーム部材１３，２３，３３は円柱形状を呈するとして説明したが、これに限定されない。例えば、第３フレーム部材１３，２３，３３は、Ｙ軸とＺ軸に沿うＹＺ断面が楕円形状、菱形形状または略菱形形状を呈していてもよい。これにより、流体の流れがＸ軸に沿う方向からＺ方向にずれたときにでも、第３フレーム部材１３，２３，３３の下流側において流体の流れの乱れや渦の発生を抑制できる。

＜＜第４フレーム部材１４，２４，３４＞＞
上記において、第４フレーム部材１４，２４，３４は円柱形状を呈するとして説明したが、これに限定されない。例えば、第４フレーム部材１４，２４，３４は、中心軸と垂直に交わる断面が楕円形状、菱形形状または略菱形形状を呈していてもよい。これにより、流体の流れがＸ軸に沿う方向からＺ方向にずれたときにでも、第４フレーム部材１４，２４，３４の下流側において流体の流れの乱れや渦の発生を抑制できる。

＝＝＝まとめ＝＝＝
以上説明したように、本実施形態に係るフレーム構造体１０，２０，３０は、回転軸１００に取り付けられ、所定の方向（Ｘ方向）に流れる流体の流れを受けて回転軸１００を回転させるブレード１２０と、を含んで構成される回転装置２００を、流体中の構造物に固定する、複数の第１〜第４フレーム部材１１〜１４，２１〜２４，３１〜３４からなるフレーム構造体１０，２０，３０であって、第１〜第４フレーム部材１１〜１４，２１〜２４，３１〜３４のうち少なくとも第１，第２フレーム部材１１，１２，２１，２２，３１，３２は、第１，第２フレーム部材１１，１２，２１，２２，３１，３２の上流側から流れてくる流体に起因して第１，第２フレーム部材１１，１２，２１，２２，３１，３２に与えられる抵抗を抑制するように、所定の方向（Ｘ方向）に沿って、流体の上流側から下流側に向かうにつれて、所定の方向（Ｘ方向）と交差する方向（Ｚ方向）における厚みが薄くなる形状を呈する。本実施形態によれば、流れの乱れや渦を抑制でき、流れの乱れや渦によるブレード１２０の回転方向への抵抗を軽減できるため、回転装置２００の回転効率を向上できる。また、水面の近くにおいて波の発生を抑制できる。

また、本実施形態に係るフレーム構造体１０，２０，３０において、少なくとも第１，第２フレーム部材１１，１２，２１，２２，３１，３２は、中心軸を通り、中心軸を通る方向（Ｙ方向）と、所定の方向（Ｘ方向）と、で形成される面を境として対称に形成される。本実施形態によれば、第１，第２フレーム部材１１，１２，２１，２２，３１，３２の一方の側面と他方の側面における流体の圧力差が発生しないため、流体の流れの乱れや渦をより効率よく抑制できる。また、水面の近くにおいて波の発生をより効率よく抑制できる。

また、本実施形態に係るフレーム構造体１０，２０，３０において、第１フレーム部材１１，２１，３１は、中心軸を通り、中心軸に沿う方向（Ｙ方向）と、所定の方向（Ｘ方向）と垂直に交わる方向（Ｚ方向）と、で形成される面を境として対称に形成される。また、第２フレーム部材１２，２２，３２では、中心軸を通り、中心軸に沿う方向（Ｚ方向）と、所定の方向（Ｘ方向）と垂直に交わる方向（Ｙ方向）と、で形成される面を境として対称に形成される。本実施形態によれば、第１，第２フレーム部材１１，１２，２１，２２，３１，３２の上流側から下流側にかけて、流体が周面に沿ってスムーズに流れるため、下流側における流れの乱れや渦の発生を抑制できる。また、水面の近くにおいて波の発生をより効率よく抑制できる。

また、本実施形態に係るフレーム構造体１０において、複数のフレーム部材（１１〜１４）には、回転軸１００と平行に設けられる第１フレーム部材１１を含み、第１フレーム部材１１は、第１フレーム部材１１の中心軸に垂直なＸＺ断面が楕円形状を呈し、流体の抵抗を抑制するように、ＸＺ断面の長軸が所定の方向（Ｘ方向）に沿って設けられる。本実施形態によれば、流れの乱れや渦を効率よく抑制でき、流れの乱れや渦によるブレード１２０の回転方向への抵抗を軽減できるため、回転装置２００の回転効率を向上できる。また、水面の近くにおいて波の発生を抑制できる。

また、本実施形態に係るフレーム構造体１０において、複数のフレーム部材（１１〜１４）には、回転軸１００および所定の方向（Ｘ方向）に直交して設けられる第２フレーム部材１２を含み、第２フレーム部材１２は、回転軸１００および所定の方向（Ｘ方向）に沿うＸＹ断面が楕円形状を呈し、流体の抵抗を抑制するように、ＸＹ断面の長軸が所定の方向(Ｘ方向)に沿って設けられる。本実施形態によれば、流れの乱れや渦を効率よく抑制でき、流れの乱れや渦によるブレード１２０の回転方向への抵抗を軽減できるため、回転装置２００の回転効率を向上できる。また、水面の近くにおいて波の発生を抑制できる。

また、本実施形態に係るフレーム構造体２０において、複数のフレーム部材（２１〜２４）には、回転軸１００と平行に設けられる第１フレーム部材２１を含み、第１フレーム部材２１は、第１フレーム部材２１の中心軸に垂直なＸＺ断面が菱形形状を呈し、流体の抵抗を抑制するように、ＸＺ断面における長い方の対角線が所定の方向（Ｘ方向）に沿って設けられる。本実施形態によれば、流れの乱れや渦を効率よく抑制でき、流れの乱れや渦によるブレード１２０の回転方向への抵抗を軽減できるため、回転装置２００の回転効率を向上できる。また、水面の近くにおいて波の発生を抑制できる。

また、本実施形態に係るフレーム構造体２０において、複数のフレーム部材（２１〜２４）には、回転軸１００および所定の方向（Ｘ方向）に直交して設けられる第２フレーム部材２２を含み、第２フレーム部材２２は、回転軸１００および所定の方向（Ｘ方向）に沿うＸＹ断面が菱形形状を呈し、流体の抵抗を抑制するように、ＸＹ断面における長い方の対角線が所定の方向（Ｘ方向）に沿って設けられる。本実施形態によれば、流れの乱れや渦を効率よく抑制でき、流れの乱れや渦によるブレード１２０の回転方向への抵抗を軽減できるため、回転装置２００の回転効率を向上できる。また、水面の近くにおいて波の発生を抑制できる。

また、本実施形態に係るフレーム構造体３０において、複数のフレーム部材（３１〜３４）には、回転軸１００と平行に設けられる第１フレーム部材３１を含み、第１フレーム部材３１は、第１フレーム部材３１の中心軸に垂直なＸＺ断面が略菱形形状を呈し、流体の抵抗を抑制するように、ＸＺ断面における所定の方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｚ方向）に沿う短い方の対角線の角部が湾曲して形成され、ＸＺ断面における長い方の対角線が所定の方向（Ｘ方向）に沿って設けられる。本実施形態によれば、流れの乱れや渦を効率よく抑制でき、流れの乱れや渦によるブレード１２０の回転方向への抵抗を軽減できるため、回転装置２００の回転効率を向上できる。また、水面の近くにおいて波の発生を抑制できる。

また、本実施形態に係るフレーム構造体３０において、複数のフレーム部材（３１〜３４）には、回転軸１００および所定の方向（Ｘ方向）に直交して設けられる第２フレーム部材３２を含み、第２フレーム部材３２は、回転軸１００および所定の方向（Ｘ方向）に沿うＸＹ断面が略菱形形状を呈し、流体の抵抗を抑制するように、ＸＹ断面における所定の方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）に沿う短い方の対角線の角部が湾曲して形成され、ＸＹ断面における長い方の対角線が所定の方向（Ｘ方向）に沿って設けられる。本実施形態によれば、流れの乱れや渦を効率よく抑制でき、流れの乱れや渦によるブレード１２０の回転方向への抵抗を軽減できるため、回転装置２００の回転効率を向上できる。また、水面の近くにおいて波の発生を抑制できる。

また、本実施形態に係るフレーム構造体１０，２０，３０において、流体は、水であることを特徴とする。本実施形態によれば、潮流発電の回転装置２００において適用することができる。

１０，２０，３０ フレーム構造体
１１，２１，３１ 第１フレーム部材
１２，２２，３２ 第２フレーム部材
１００ 回転軸
１２０ ブレード
２００ 回転装置

前述した課題を解決する主たる本発明は、回転軸に取り付けられ、所定の方向に流れる流体の流れを受けて前記回転軸を回転させるブレードを含んで構成される回転装置を、前記流体中の構造物に固定する、複数のフレーム部材からなるフレーム構造体であって、前記フレーム部材は、前記フレーム部材の上流側から流れてくる前記流体に起因して前記フレーム部材に与えられる抵抗を抑制するように、前記フレーム部材の上流側における前記流体の前記所定の方向に沿って、前記流体の上流側から下流側に向かうにつれて、前記所定の方向と交差する方向における厚みが薄くなる形状を呈し、前記フレーム部材は、前記中心軸を通り、前記中心軸に沿う方向と、前記所定の方向と垂直に交わる方向と、で形成される面を境として対称に形成され、前記複数のフレーム部材は、前記回転軸と平行に設けられる第１フレーム部材を含み、前記第１フレーム部材は、前記第１フレーム部材の中心軸に垂直な断面が楕円形状を呈し、前記抵抗を抑制するように、前記断面の長軸が前記所定の方向に沿って設けられることを特徴とする。

Claims (10)

1. 回転軸に取り付けられ、所定の方向に流れる流体の流れを受けて前記回転軸を回転させるブレードを含んで構成される回転装置を、前記流体中の構造物に固定する、複数のフレーム部材からなるフレーム構造体であって、
   前記フレーム部材は、前記フレーム部材の上流側から流れてくる前記流体に起因して前記フレーム部材に与えられる抵抗を抑制するように、前記所定の方向に沿って、前記流体の上流側から下流側に向かうにつれて、前記所定の方向と交差する方向における厚みが薄くなる形状を呈する
   ことを特徴とするフレーム構造体。
2. 前記フレーム部材は、中心軸を通り、前記中心軸に沿う方向と、前記所定の方向と、で形成される面を境として対称に形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載のフレーム構造体。
3. 前記フレーム部材は、前記中心軸を通り、前記中心軸に沿う方向と、前記所定の方向と垂直に交わる方向と、で形成される面を境として対称に形成される
   ことを特徴とする請求項２に記載のフレーム構造体。
4. 前記複数のフレーム部材は、前記回転軸と平行に設けられる第１フレーム部材を含み、
   前記第１フレーム部材は、前記第１フレーム部材の中心軸に垂直な断面が楕円形状を呈し、前記抵抗を抑制するように、前記断面の長軸が前記所定の方向に沿って設けられる
   ことを特徴とする請求項３に記載のフレーム構造体。
5. 前記複数のフレーム部材は、前記回転軸および前記所定の方向に直交して設けられる第２フレーム部材を含み、
   前記第２フレーム部材は、前記回転軸および前記所定の方向に沿う断面が楕円形状を呈し、前記抵抗を抑制するように、前記断面の長軸が前記所定の方向に沿って設けられる
   ことを特徴とする請求項４に記載のフレーム構造体。
6. 前記複数のフレーム部材は、前記回転軸と平行に設けられる第１フレーム部材を含み、
   前記第１フレーム部材は、前記第１フレーム部材の中心軸に垂直な断面が菱形形状を呈し、前記抵抗を抑制するように、前記断面における長い方の対角線が前記所定の方向に沿って設けられる
   ことを特徴とする請求項３に記載のフレーム構造体。
7. 前記複数のフレーム部材は、前記回転軸および前記所定の方向に直交して設けられる第２フレーム部材を含み、
   前記第２フレーム部材は、前記回転軸および前記所定の方向に沿う断面が菱形形状を呈し、前記抵抗を抑制するように、前記断面における長い方の対角線が前記所定の方向に沿って設けられる
   ことを特徴とする請求項６に記載のフレーム構造体。
8. 前記複数のフレーム部材は、前記回転軸と平行に設けられる第１フレーム部材を含み、
   前記第１フレーム部材は、前記第１フレーム部材の中心軸に垂直な断面が略菱形形状を呈し、前記抵抗を抑制するように、前記断面における前記所定の方向に直交する方向に沿う短い方の対角線の角部が湾曲して形成され、前記断面における長い方の対角線が前記所定の方向に沿って設けられる
   ことを特徴とする請求項３に記載のフレーム構造体。
9. 前記複数のフレーム部材は、前記回転軸および前記所定の方向に直交して設けられる第２フレーム部材を含み、
   前記第２フレーム部材は、前記回転軸および前記所定の方向に沿う断面が略菱形形状を呈し、前記抵抗を抑制するように、前記断面における前記所定の方向に直交する方向に沿う短い方の対角線の角部が湾曲して形成され、前記断面における長い方の対角線が前記所定の方向に沿って設けられる
   ことを特徴とする請求項８に記載のフレーム構造体。
10. 前記流体は、水である
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載のフレーム構造体。

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